2.3 单片机开发六步走
本节中，将以一个LED流水灯为例，教你一步一步学习单片机开发，为单片机初学者寻找一条通向成功的“正确之路”“光明之路”。
2.3.1 第一步：硬件电路设计与制作
硬件电路设计是一门大学问，若设计不周，轻则完不成任务，达不到要求，重则可能发生短路、烧毁元件等事故。要想设计一个功能完善、电路简捷的硬件电路，不但要熟悉掌握电子元器件、模拟电路、数字电路等基本知识，还要学会Protel（Altium Designer）软件的使用。
Protel是电子爱好者设计原理图和制作PCB图的首选软件，在国内的普及率很高，几乎所有的电子公司都要用到它。
Protel软件发展很快，主要版本有Protel 99 SE、Protel DXP、Protel DXP 2004，从Protel DXP 2004以后，Protel改名为Altium Designer，主要版本有Altium Designer 6.0、Altium Designer 6.9、Altium Designer 8.3等，目前最新版本为Altium Designer 18。使用Protel（Altium Designer）软件，既可以绘制规范的电路原理图，又可以制作出漂亮的PCB板。对于从事电子工程的技术人员，必须熟练掌握Protel；对于电子爱好者和初学者，如果还不能掌握，也可以使用市场上常见的万用板来代替PCB板。用万用板进行组装的特点是：方法简单，用料便宜，但组装时对焊接和连线有较高的要求。
在本书以后的实验中，基本都采用实验开发板进行学习和实验，也就是说，硬件电路我们已为你设计好了。但如果在实践中进行单片机开发，硬件电路设计与制作是必不可少的步骤，甚至非常重要。
为了方便，我们仍以前面介绍的流水灯为例进行演示，在前面介绍的“低成本单片机开发板2”上（实物图参见图2-5）进行实验，流水灯电路原理图参见图2-1。
2.3.2 第二步：编写程序
想让单片机按你的意思（想法）完成一项任务，必须先编写供其使用的程序，编写单片机的程序应使用该单片机可以识别的“语言”，否则你将是对“机”弹琴。通过前面的学习我们知道，单片机编程语言主要有汇编语言和C语言，这里，我们会选用C语言进行编程。
编写程序时需要软件开发平台，我们选用Keil软件。Keil软件是51单片机实验、开发中应用最为广泛的软件，界面友好，易学易用，在调试程序、软件仿真方面也有很强大的功能。因此，很多开发51应用的工程师或普通的单片机爱好者，都对它十分喜欢。
Keil软件提供了文本编辑处理、编译链接、项目管理、窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能，通过一个集成开发环境（μVision IDE）将这些部分组合在一起。使用Keil软件，可以对汇编语言程序进行汇编，对C语言程序进行编译，对目标模块和库模块进行链接以产生一个目标文件，生成Hex文件，对程序进行调试等。另外，Keil还具有强大的仿真功能，在仿真功能中，有两种仿真模式：软件模拟方式和硬件仿真。在软件模拟方式下，不需要任何51单片机硬件即可完成用户程序仿真调试，极大地提高了用户程序开发效率；在硬件仿真方式下，借助仿真器（仿真芯片），可以实现用户程序的实时在线仿真。
总之，Keil软件功能强大，应用广泛，无论是单片机初学者，还是单片机开发工程师，都必须掌握好、使用好。
下面，我们就开始启动Keil，用C语言编写8位流水灯程序。
1. 先在F盘（其他位置也可以）新建一个文件夹，命名为my_8LED，用来保存8位流水灯程序。点击“Project”菜单，选择下拉式菜单中的“New μVision Project”，弹出文件对话窗口，选择你要保存的路径，在“文件名”中输入你的第一个C程序项目名称，这里我们用“my_8LED”，如图2-10所示。
图2-10 保存文件对话框
保存后的文件扩展名为uvproj，这是Keil项目文件扩展名，以后我们可以直接点击此文件以打开先前做的项目。
2. 点击“保存”后，这时会弹出一个选择器件对话框，要求你选择单片机的型号，你可以根据你使用的单片机来选择。Keil几乎支持所有的51核的单片机，在这里，我们选择AT89S52，如图2-11所示，然后单击【OK】按钮。
图2-11 选择单片机型号对话框
Keil中没有STC89C系列单片机型号，如果你制作的实验开发板采用STC89C52等单片机，仍然可以选用AT89S52。由于STC89C52单片机中的个别寄存器和AT89S52有所不同，因此，在使用这些不同的寄存器，需要在程序中用sfr关键字进行声明。
值得庆幸的是，宏晶科技公司的下载软件，提供了一项功能，可以把STC单片机加载到Keil软件，这为选择和使用STC单片机提供了极大的方便。
加载和使用方法如下。
（1）到宏晶科技公司官网下载STC-ISP软件，打开STC-ISP V6.85软件（其他版本也可以），点击软件右侧的“Keil仿真设置”选项卡。再点击“添加型号和头文件到Keil中，添加STC仿真器驱动到Keil中”按钮，如图2-12所示。点击后，就把STC芯片的型号和仿真程序与Keil软件绑定在一起。这样Keil软件中，就可以选择、使用STC单片机了。
图2-12 Keil仿真设置选项卡
（2）回到Keil软件中，将刚才制作的my_8LED项目删除，再重新加载STC单片机。
点击“Project”菜单，选择下拉式菜单中的“New μVision Project”，弹出文件对话窗口，选择你要保存的路径，在“文件名”中输入“my_8LED”，点击“保存”后，这时会弹出一个选择器件对话框，就会出现STC MCU Database选择对话框，如图2-13所示。这里，我们选择“STC MCU Database”。
图2-13 STC MCU Data base选择对话框
（3）然后，要求你选择单片机的型号，在这里，我们就可以选择STC89C52了，如图2-14所示，然后单击【OK】按钮。
图2-14 选择STC89C52单片机
3. 随后弹出如图2-15所示的对话框，询问是否添加标准的启动代码到你的项目，一般情况下选“否”即可。
图2-15 询问添加启动代码对话框
4. 回到主窗口界面，单击“File”菜单，再在下拉菜单中单击“New”选项，出现文件编辑窗口。此时光标在编辑窗口里闪烁，这时可以键入用户的应用程序了。但建议首先保存该空白的文件，单击菜单上的“File”，在下拉菜单中选中“Save As”，出现文件“另存为”对话框，在“文件名”栏右侧的编辑框中，输入文件名，同时必须输入正确的扩展名。注意，采用C语言编写程序时，扩展名为（.c）；用汇编语言编写程序时，扩展名必须为（.asm）。这里选用文件名和扩展名为my_8LED.c，如图2-16所示，然后单击【保存】按钮。
图2-16 保存文件对话框
5. 回到主窗口界面后，单击“Target 1”前面的“＋”号，然后在“Source Group 1”上单击右键，在弹出的快捷菜单上，然后单击“Add File to Group ‘Source Group 1’”，出现增加源文件对话框。选中“my_8LED.c”，如图2-17所示。然后单击【Add】按钮。
图2-17 增加源文件对话框
重点提示：单击【Add】按钮后，增加源文件对话框并不消失，等待继续加入其他文件，但不少人员误认为操作没有成功而再次单击【Add】按钮，这时会出现如图2-18所示的警告提示窗口，提示你所选文件已在列表中，此时应点击【确定】，返回前一对话框，然后点击【Close】即可返回主界面。
图2-18 警告提示窗口
6. 单击“Source Group 1”前的加号，此时会发现my_8LED.c文件已加入到其中，如图2-19所示。
图2-19 加入源文件后的窗口
7. 在编辑窗口中输入前面介绍的流水灯的C语言源程序。这个程序的功能就是让P2口的8个LED灯按流水灯的形式进行显示，每个灯显示时间约0.5s，循环往复。输入完毕后，主窗口界面如图2-20所示。
图2-20 输入程序后的主窗口
8. 工程建立好以后，还要对工程进行进一步的设置，以满足要求。
用鼠标右键单击主窗口“Target1”，在出现的快捷菜单中选择“Option for target ‘target1’”，选择“Option for target ‘target1’”后，即出现工程设置对话框。这个对话框共有10多个页面，单击Target，可对Target页中的有关选项进行设置，其中，Xtal后面的数值是晶振频率值，默认值是所选目标CPU的最高可用频率值，该值与最终产生的目标代码无关，仅用于软件模拟调试时显示程序执行时间。正确设置该数值可使显示时间与实际所用时间一致，一般将其设置成与你的硬件所用晶振频率相同，如果没必要了解程序执行的时间，也可以不设。这里，将Xtal设置为11.0592，其他保持默认设置，如图2-21所示。
图2-21 Target页的设置
课外阅读：在Target页中，还有几项设置，简要说明如下。
Memory Model用于设置RAM使用情况，有以下三个选择项。
① Small：所有变量都在单片机的内部RAM中。
② Compact：可以使用一页（256字节）外部扩展RAM。
③ Large：可以使用全部外部的扩展RAM。
Code rom size用于设置ROM空间的使用，同样也有三个选择项。
① Small：只用低于2KB的程序空间。
② Compact：单个函数的代码量不能超过2KB，整个程序可以使用64KB程序空间。
③ Large：可用全部64KB空间。
这些选择项必须根据所用硬件来决定，对于本例，按默认值设置。
Operating项是操作系统选择，Keil提供了两种操作系统：Rtx tiny和Rtx full，通常我们不使用任何操作系统，即使用该项的默认值None。
Off-Chip Code memory用以确定系统扩展ROM的地址范围，Off-Chip xData memory组用于确定系统扩展RAM的地址范围，这些选择项必须根据所用硬件来决定，一般均不需要重新选择，按默认值设置。
9. 单击OutPut页，里面也有多个选择项，其中Creat Hex file用于生成可执行代码文件，其格式为Intel HEX格式，文件的扩展名为.HEX，默认情况下该项未被选中，如果要写片做硬件实验，就必须选中该项，这里我们选择该项。选中该项后，在编译和链接时将产生*.hex代码文件，该文件可用编程器去读取并烧写到单片机中，再用硬件实验板看到实验结果。最后设置的情况如图2-22所示。
图2-22 OutPut页的设置
10. 单击Debug页，该页用于设置调试器。Keil提供了两种工作模式，即Use Simulator（软件模拟仿真）和Use（硬件仿真）。Use Simulator是将Keil设置成软件模拟仿真模式，在此模式下不需要实际的目标硬件就可以模拟51单片机的很多功能，这是一个非常实用的功能。Use是硬件仿真选项，当进行硬件仿真时，应选中此项，另外，还从右侧的下拉框中选择所用的硬件仿真器，例如，STC Monitor-51 Driver（STC单片机仿真器），如图2-23所示。
图2-23 Debug页
需要说明的是，如果你安装的Keil软件没有加载STC单片机型号及仿真器，在下拉框中不会出现STC Monitor-51 Driver选项。如果要使用STC仿真器，必须打开STC-ISP软件，点击软件右侧的“Keil仿真设置”选项卡进行加载（具体方法参见前面介绍的内容）。
以上工程设置对话框中的其他选项页与C51编译器、A51汇编器、BL51连接器等用法有关，这里均取默认值，不做任何修改。设置完成后，单击【OK】按钮进行确认。
2.3.3 第三步：编译程序
以上编写的8位流水灯程序是提供给我们看的，在学完C语言后我们完全可以看懂，但是，单片机可看不懂，它只认识由0和1组成的机器码。因此，这个程序还必须进行编译，将程序“翻译”成单片机可以“看懂”的机器码。
要将编写的源程序转变成单片机可以执行的机器码过程叫编译。用于51单片机的编译软件较多，其中Keil软件最为优秀，通过Keil对源程序进行汇编，可以产生目标代码，生成单片机可以“看懂”的.hex（十六进制）或.bin（二进制）目标文件，用编程器烧写到单片机中，单片机就可以按照我们的意愿工作了。
用Keil对8位流水灯程序编译的方法如下。
在Keil主窗口左上方，有三个和编译有关的按钮
。
这三个按钮的作用有所不同，左边的是编译按钮，不对文件进行链接；中间的是编译链接按钮，用于对当前工程进行链接，如果当前文件已修改，软件会对该文件进行编译，然后再链接以产生目标代码；右边的是重新编译按钮，每点击一次均会再次编译链接一次，不管程序是否有改动，确保最终产生的目标代码是最新的。这三个按钮也可以在“project”菜单中找到。
这个项目只有一个文件，你按这三个按钮中的任何一个都可以编译。这里，为了产生目标代码，我们选择按中间的编译链接按钮或右边的重新编译按钮。在下面的“Build output”窗口中可以看到编译后的有关信息，如图2-24所示。提示获得了名为“my_8LED.hex”的目标代码文件。编译完成后，打开my_8LED文件夹，会发现，文件夹里多出了一个my_8LED.hex文件。
图2-24 编译后的有关信息
如果源程序有语法错误，会有错误报告出现，用户应根据提示信息，更正程序中出现的错误，重新编译，直至正确为止。
2.3.4 第四步：仿真调试
程序编译通过后，只是说明源程序没有语法错误，至于源程序中存在的其他错误，往往还需要通过反复的仿真调试才能发现。所谓仿真即是对目标样机进行排错、调试和检查，一般分为硬件仿真和软件仿真两种，下面分别进行说明。
1. 硬件仿真
硬件仿真是通过仿真器与用户目标板进行实时在线仿真。一块用户目标板包括单片机部分及外围接口电路部分，例如，我们在前面设计的8位流水灯电路，单片机部分由STC89C52最小系统组成，外围接口电路则由8位发光二极管及限流电阻组成。硬件仿真就是利用仿真器来代替用户目标板的单片机部分，由仿真器向用户目标板的接口电路部分提供各种信号、数据进行测试、调试的方法。这种仿真可以通过单步执行、连续执行等多种方式来运行程序，并能观察到单片机内部的变化，便于修改程序中的错误。
如果你手头上有实验开发板，只需要取下单片机，将硬件仿真接板插到活动插座上，然后再将开发板和计算机连接起来，即可以进行硬件仿真了。有关硬件仿真的详细内容，本书不打算进行详细的介绍，感兴趣的读者可以到宏晶科技公司官网参阅相关文章进行学习。
对于初学者，实际编程时，所写的程序一般不太复杂，加之STC单片机下载程序十分方便，因此，可以采用下载的方法进行编程。方法是：直接将程序下载到单片机中进行观察，如果与实验不符，再修改、再下载，直到符合要求为止。因此，初学者可以跳过硬件仿真这一步。
2. 软件仿真
在Keil软件中，内建了一个仿真CPU，可用来模拟执行程序，该仿真CPU功能强大，可以在没有用户目标板和硬件仿真器的情况下进行程序的模拟调试，这就是软件仿真。
软件仿真不需要硬件，简单易行。不过，软件仿真毕竟只是模拟，与真实的硬件执行程序还是有区别的，其中最明显的就是时序。软件仿真是不可能和真实的硬件具有相同的时序的，具体的表现就是程序执行的速度和各人使用的计算机有关，计算机性能越好，运行速度越快。
如果读者没有制作实验开发板，也没有仿真器，可以采用软件仿真的方法进行模拟，具体方法如下。
（1）单击菜单“Project→Option for target ‘target1’”，出现工程设置对话框，在Debug 页中，选择Use Simulator，即设置Keil为软件仿真状态。
（2）按Ctrl+F5，进入仿真状态，再按菜单Peripherals→I/O Ports→Port2，打开Port2观察窗口，如图2-25所示。
图2-25 Port2调试窗口
图中，框内打“√”者为高电平，未打“√”者为低电平。按F5全速运行，会发现窗口中的“√”在Port2调试窗口中不停地闪动，不能看到具体的效果，这时我们可以采用过程单步执行的方法进行调试，不停地按动工具栏上的
按钮（Step Over），可以看到Port2调试窗口中未打“√”的小框（表示低电平）不停地右移。也就是说，Port2调试窗口模拟了P2口的电平状态。
2.3.5 第五步：烧写程序
仿真调试通过后，用STC89C系列单片机下载软件STC-ISP将my_8LED.hex代码文件下载到实验板STC89C52中，就可以欣赏到你的第一个“产品”了。烧写程序的步骤如下。
（1）将USB线一端接PC USB口，另一端接开发板USB口（这里选用前面介绍的低成本单片机开发板2）。
（2）安装USB转串口芯片CH340芯片驱动程序（如果你的计算机是Windows 10操作系统，无须安装CH340驱动，可自动识别），安装完成之后，PC会提示发现新硬件，同时会建立一个虚拟的串口号，这个串口号可在PC的设备管理器上查看，这时会看到“USBSERIAL CH340（COM3）”一栏，这就是开发板上CH340的虚拟串口（COM3），如图2-26所示。
图2-26 USB转串口线虚拟的串口号
注意，对于不同的计算机，这个虚拟的串口号可能有所不同。
（3）了解到这个串口号后，打开STC下载软件，在“串口选择”一栏中选择相应的串口号（这里选择COM3），在单片机型号一栏中，选择STC89C52（开发板上插座上安装的是此单片机），如图2-27所示。
图2-27 选择串口号和单片机型号
（4）单击窗口中的“打开程序文件”按钮，打开需要写入的十六进制文件，这里选择8路流水灯文件my_8LED.hex。单击窗口中的“下载/编程”按钮，此时在下载软件文本框中显示“正在检测目标单片机”，此时，给开发板通电，开始下载程序，下载完成后，出现“下载OK、校验OK、已加密”等信息，如图2-28所示。此时，会发现开发板上的8个LED发光管循环点亮。
图2-28 下载完成
2.3.6 第六步：脱机运行检查
你不可能一次完美无缺地将源程序写好，这就需要反复修改源程序，反复编译、仿真、烧写到单片机中，反复将单片机装到电路中去实验，针对硬件或软件出现的问题进行修改，逐步进行完善。确认硬件电路没有问题，确认程序没有“臭虫”后，整个实验开发过程也就结束了。
以上描述是以制作一个8位流水灯为例，全面介绍了单片机实验开发的全过程，包括硬件电路设计与制作、编写程序、编译程序、仿真调试、烧写程序、脱机运行检查六个步骤，在本书的后续章节中，仿真调试我们一般省略跳过，但其他五个步骤是必需的。